城市軌道交通中雜散電流的危害及防護

付連著 范季陶

城市軌道交通中雜散電流的危害及防護

付連著*范季陶＊＊

介紹了城市軌道交通直流牽引供電系統中雜散電流的產生、危害、破壞機理及防護措施等要素，同時參照國內、國際標準的要求對雜散電流防護的評價指標和測試方法進行了介紹。

雜散電流;過渡電阻;防護

雜散電流又被稱作迷流，是在城市軌道交通直流牽引供電回流中產生的。它對城市軌道交通系統內外金屬設備、沿途管線會造成一定的危害和影響，尤其會對走行軌、道床鋼筋、結構鋼筋、各種金屬管線等有著很強的腐蝕作用，因此，雜散電流防護成為軌道交通建設和運營過程中的一項重要內容。

1 雜散電流產生的機理

目前城市軌道交通一般采用直流牽引供電，列車電源由牽引變電所提供，通過架空接觸網或接觸軌送向列車，機車受流后通過走行軌回流。雖然在設計中走行軌對地要求絕緣，但由于走行軌對大地始終存在過渡電阻，因此牽引回流并非全部通過走行軌回流至牽引變電所，而是有一部分通過走行軌雜散流入道床，并由道床流向結構鋼筋、電纜外皮、以及沿線的金屬管線。在變電所附近，這些散在外部的電流又通過金屬管線、道床等媒質流回走行軌并最終回到牽引變電所，從而形成了雜散電流，如圖1所示。

腐蝕可分為自然腐蝕和電腐蝕。雜散電流引起的腐蝕屬于電腐蝕，確切的說應為電解腐蝕，其原理是由于直流電流在金屬和電解質間流動產生的，這是城市軌道交通中金屬腐蝕的主要形式。

當雜散電流由圖1中的陽極區——走行軌和金屬管線流出時，都會發生失掉電子的氧化反應，該部位的金屬就會遭到腐蝕。簡單說來，電流從其中流出進入電解質的那部分金屬極易發生腐蝕。

圖1 雜散電流產生及線路結構示意圖

2 雜散電流的影響和危害

1.雜散電流對城市軌道交通隧道結構鋼筋及道床鋼筋會產生強烈的腐蝕。根據法拉第電解定律，1A的雜散電流，每年可腐蝕鋼鐵金屬約9.1 kg。如果這種電腐蝕長期存在，將會嚴重損壞地鐵附近的各種結構鋼筋和地下金屬管線，降低其使用壽命。

2.雜散電流會破壞鋼筋混凝土結構。雜散電流流過時對混凝土本身并不產生影響，但由于鋼筋的存在，當鋼筋受腐蝕時會產生鐵銹等產物，這些產物會大大增加鋼筋本身的體積，從而使混凝土內部產生強大的壓力，促使混凝土結構開裂。

3.雜散電流會腐蝕沿線的金屬地埋管線。由于地埋金屬管線容易聚集雜散電流，故易被腐蝕，應在設計和建造過程中給予重視。另外，雜散電流還會對沿線的地埋通信電纜產生腐蝕破壞作用。

4.雜散電流產生的電壓可造成人身觸電。當牽引回流不暢，形成大量的雜散電流流入地中時，會造成鋼軌與結構鋼筋之間電壓的升高，對站臺上的乘客安全構成威脅。德國標準VDE0115規定，該電位差不得超過92 V。

5.若鋼軌(走行軌)局部或整體對地的絕緣特性降低，則會引起鋼軌對大地較大的漏泄電流，使地下雜散電流增大，引起過高的地電位，使某些設備無法正常工作，也有可能引起牽引變電所的框架保護動作或排流柜熔斷器的保護。

3 雜散電流防護的主要評價指標

由于雜散電流對城市建筑和軌道交通系統本身均具有較大的腐蝕和破壞作用，為了有效地限制地鐵雜散電流，降低與消除其不利影響，國家頒布了GJJ49-92《地鐵雜散電流腐蝕防護技術規程》，歐洲頒布了EN50122-2:1999標準，對地鐵雜散電流防護的相關要求作出了詳細規定。

3.1 過渡電阻

鋼軌對大地(或道床)的過渡電阻(或導納)是軌道交通工程雜散電流防護領域驗收檢查時重要的評價指標。

標準EN50122-2:1999規定，對于鐵路系統，鋼軌對大地的導納不應超過0.5 S/km，即過渡電阻不應小于2Ω·km。對于軌道交通系統，也根據建設類別規定了相應的過渡導納限值。

GJJ 49-92《地鐵雜散電流腐蝕防護技術規程》規定，兼用作回流的地鐵走行軌與隧洞主體結構(或大地)之間的過渡電阻值，對于新建線路不應小于15Ω·km，運行線路不應小于3Ω·km。

關于過渡電阻的測試方法，GJJ 49-92規定走行軌和主體結構之間的過渡電阻值可使用接地電阻測試儀進行測量，測量工作應在停電后進行，并應斷開相應的電氣連接。測試完成后，應將各個閉塞區間過渡電阻的測試結果，按標準規定的方法(即按并聯方式計算)折合成1 km長度走行軌的等值過渡電阻值。

標準EN50122-2:1999規定了2種過渡電阻的測試方法，均為經典的電壓電流法(歐姆定律)。一種方法需要斷開相鄰閉塞區間的鋼軌連接，這種方法的優點是測試工作相對簡單，但斷開連接的準備工作比較復雜。另一種方法無需斷開鋼軌連接，但需要多塊電流表監測各個斷面的流出電流，以便計算出通過道床泄漏的入地電流，該方法注入電流很大，測試電壓較高，測試工作非常復雜，可在不方便斷開鋼軌連接的時候使用。具體測試方法參見EN50122-2:1999附錄A。

3.2 鋼軌的回流阻抗

鋼軌的回流阻抗應盡可能的低，以便使牽引回流盡可能多的暢通流回牽引變電所，減少雜散電流的泄漏。GJJ 49-92規定:回流走行軌應焊接成長鋼軌，其連接質量應符合有關標準規定，且能滿足相應等級鋼軌縱向電阻值的要求。回流走行軌系統中，每處扼流變壓器所增加的電阻值不應超過36 m長度軌道的等值電阻。

標準EN50121-2:1999規定，鋼軌在焊接處或連接處引入的電阻不應超過整個縱向電阻的5%。

3.3 監測

監測可以動態地評價金屬設施受雜散電流腐蝕的危害程度。GJJ 49-92規定:電腐蝕危險性的直接定量指標為漏泄電流密度;腐蝕危險性的間接指標為漏泄電流引起的結構電位極化偏移(電壓)值，該值應取列車運行高峰時間內測得的小時平均值。隧洞結構的外表面，受雜散電流腐蝕危害的控制指標是由漏泄電流引起的結構電壓偏離其自然電位數值。對于鋼筋混凝土質地鐵主體結構鋼筋，上述極化電壓的正向偏移平均值不應超過0.5 V。

4 雜散電流的防護措施

雜散電流的防護設計應采取“以防為主，以排為輔，防排結合，加強監測”的原則。

4.1 防

雜散電流腐蝕防護首先是“以防為主”，其目的是從源頭上根本控制和減小雜散電流漏泄量。具體做法如下。

1.合理的設置牽引變電所，所間距離不宜過長，同時牽引網采用雙邊供電模式，因為雜散電流值與列車到牽引變電所的距離的平方成正比。

2.加強走行軌對地絕緣，如走行軌下設置絕緣墊，走行軌對地保持一定間隙，設置道床排水溝，合理設置鋼軌下面的道床混凝土層的厚度。

3.保持牽引回路的暢通，使牽引電流盡可能多地通過鋼軌或專門的回流線流回變電所，減少其對地漏泄，進而從根本上減少雜散電流的產生，如采用重鋼軌，降低鋼軌連接處的阻抗，設置均流線等措施。

4.重視日常維護，如定時清掃線路上的油污、雜物等，保持走行軌的清潔和絕緣水平良好。

5.對地埋金屬管線，應采用絕緣方式進行敷設，如設置絕緣保護層、絕緣套管等。對于穿越軌道交通系統的管線應在系統內外接口處設置絕緣接頭或絕緣法蘭等。必要時，經過論證也可采用陰極保護或保護陽極等防護方法。

4.2 排

隨著建成線路運行時間的增加，走行軌對地的絕緣水平會下降，雜散電流有可能會超標，此時可以適當考慮投入排流裝置，因此在工程建設時適當設置合理的雜散電流收集網及排流裝置，以便在必要時將雜散電流引回牽引變電所負極。在城市軌道交通設計中，通常將道床鋼筋和結構鋼筋用作排流網，收集由鋼軌漏泄出來的雜散電流，并在變電所內設置雜散電流排流柜，當監測到道床結構鋼筋極化電位值超過設定數值時，排流柜投入運行，道床收集網開始排流，使之通過排流網直接流回牽引變電所。排流只能作為一種應急手段。

4.3 監測

監測就是指設計完備的雜散電流監測系統，監視、測量雜散電流的大小，為運營維護提供依據。監測的主要內容包括漏泄量及極化電位。雜散電流監測系統的構成方式目前可分為分散式和集中式2類。

分散式監測系統由測試端子、參比電極、信號電纜、信號盒、便攜式綜合測試裝置構成。其監測方法是通過便攜式綜合測試裝置，在各個測點分別進行人工測量，主要是測量結構鋼筋極化電壓偏移值和道床鋼筋極化電壓偏移值，最后將測量值匯總在一起，傳送到綜合測試裝置中。

集中式監測系統由參比電極、信號電纜、傳感器、數據轉換器、監測裝置和上位計算機組成，如圖2。

圖2 雜散電流集中式監測系統組成框圖

集中式監測系統是將雜散電流監測納入電力監控系統(SCADA)統一進行管理。由電力監控系統對全線車站及區間的雜散電流進行監測和數據采集，并進行數據統計、整理和存檔。控制中心調度員可通過電力監控系統的畫面對全線車站及區間的結構鋼筋極化電壓和道床鋼筋極化電壓的實時數據和歷史數據進行查詢，如車站或區間某點雜散電流(極化電壓)超標，系統自動產生報警，提醒調度員及時處理。目前廣州地鐵、深圳地鐵、武漢地鐵等均采用了集中式雜散電流監測系統。

［1］于松偉，楊興山．城市軌道交通供電系統設計原理與應用［M］．北京:西南交通大學出版社，2008．

［2］中華人民共和國建設部．CJJ49-92雜散電流腐蝕防護技術規程［M］．北京:中國計劃出版社，1993．

The paper expounded the generation，risk，damage mechanism，and protection measures of stray current in DC traction system of urban rail transit．Furthermore，the paper introduced the assessment parameters and testingmethods according to domestic and international standards．

Stray current;Transition resistance;Prevention

*中國鐵道科學研究院科研開發處助理研究員，100081北京

＊＊中國鐵道科學研究院通信信號研究所助理研究員，100081北京

2011-10-21

(責任編輯:張利)